TK thiết bị đo sử dụng cặp nhiệt ngẫu

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÀI TẬP LỚP Thiết kế thiết bị đo sử dụng cặp nhiệt điện loại K, dải đo 0 800oC MÔN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO Danh sách nhóm ( 19 ) Lời mở đ.aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚP:

Thiết kế thiết bị đo sử dụng cặp nhiệt điện loại K, dải

đo 0-800oC MÔN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO

Danh sách nhóm:

1

Lời mở đầu

Trong thời kì Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa hiện nay, các thiết bị đo lường đóngmột vai trò rất quan trọng và có những ứng dụng rất thực tiễn và gần gũi trong cuộc sốnghiện đại này Môn học thiết kệ thiết bị đo là một môn học cơ sở cỏa chuyên ngành Kĩthuật đo và tin học công nghiệp tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội Nội dung cua mônhọc là giúp người học có kiến thức cơ bản nhất về các phương pháp đo lường, các thiết bị

đo lường và các đặc trưng cơ bản của kĩ thuật đo lường Trong phần đo lường các đạilượng điện, nội dung là mô tả các phương pháp đo các đại lượng vật lý khác nhau là dòngđiện,điện áp, công suất, điện trở, điện cảm, điện dung, góc lệch pha, tàn số, các đại lượngtừ,

Trong nội dung chương trình học, nhóm em được giao thực hiện bài tập dài với đềtài: “Thiết kế thiết bị đo sử dụng cặp nhiệt điện loại K” với thang đo từ 0 đến 800 độ C và

sử dụng cặp nhiệt ngẫu

Kết quả của bài tập lớn này là sự cố gắng của cả ba thành viên trong nhóm Tuyvậy, do thời gian có hạn nên kết quả này mới chỉ dừng lại ở mức ý tưởng và mô phỏng,nhóm em sẽ tiếp tục ý tưởng và hoàn thiện sản phẩm trong thòi gian tới Do kiến thức cònchưa nhiều và kinh nghiệm còn ít, sản phàm vẫn còn nhiều nhược điểm và thiếu sót nênchúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy

MỤC LỤC

Lời

mở đầu 2

Chương 1: Phương pháp đo nhiệt độ 4

1.1 Phân tích yêu cầu 4

1.2 Các phương pháp đo 4

1.2.1 Giới thiệu chung 4

1.2.2 Phương pháp đo biến đổi thẳng 4

Chương 2: Lí thuyết và thiết kế thiết bị đo nhiệt độ 6

2.1 Sơ đồ khối mạch đo 6

2.2 Các thành phần chính của thiết bị đo, tính toán lựa chọn thiết bị 6

2.2.1 Cặp nhiệt ngẫu 6

2.2.2 Bộ khuếch đại và lọc nhiễu 10

2.2.3 Khối ADC và Vi xử lí: 13

2.2.4 Khối hiển thị LED 7 Thanh 18

2.2.5 Khối nguồn 18

2.2.6 LM35 23

Chương 3: Sơ đồ thuật toán, mô phỏng, kiểm định, đánh giá sai số của hệ th ống 25

3.1 Sơ đồ thuật toán 25

3.1.1 Hình ảnh sơ đồ 25

3.1.2 Trình bày thuật toán tra bảng 27

3.2 Sơ đồ thiết kế 27

3.3 Sơ đồ hộp bảo vệ 29

Tài liệu tham khảo 30

Danh mục hình vẽ:

Danh mục bảng biểu:

Chương 1: Phương pháp đo nhiệt độ

1.1 Phân tích yêu cầu

Sử dụng cặp nhiệt điện loại K đo nhiệt độ trong khoảng từ 0-800℃, sử dụng bù nhiệt

độ mềm Độ phân giải 1oC

1.2 Các phương pháp đo

1.2.1 Giới thiệu chung

 Phương pháp đo là cách thức, thủ thuật để xác định thông số cần đo Đó là tậphợp mọi cơ sở khoa học có thể để thực hiện phép đo, trong đó có nguyên tắc đểxác định thông số đo, các nguyên tắc này có thể dựa trên mối quan hệ toán họchay mối quan hệ vật lý có liên quan với đại lượng đo

 Có 2 phương pháp đo cơ bản là phương pháp đo biến đổi thẳng và phươngpháp đo kiểu so sánh

 Trong dự án này, chúng ta sử dụng phương pháp đo biến đổi thẳng để thựchiện

1.2.2 Phương pháp đo biến đổi thẳng

 Khái niệm

Phương pháp đo biến đổi thẳng là là phương pháp đo có quá trình đo biến đổithẳng đại lượng cần đo thành các đại lượng trung gian cho tiện việc tính toánkết quả và chỉ thị Khi đó trong câu trúc của thiết bị đo không có khâu phản hồi

và thiết bị đo gọi là thiết bị biến đối thẳng

 Cấu trúc bao gồm:

• CĐSC: bộ chuyển đổi sơ cấp để biến đổi đại lượng đo không điện thành đạilượng điện, nếu X đã là đại lượng điện thì không cần bộ chuyển đổi này

• BĐ: bộ biến đổi trung gian

• X: đại lượng cần đo

• CT: cơ cấu chỉ thị

• X0: đại lượng mẫu (hay đơn vị đo)

Hình 1: Cấu trúc của một thiết bị đo biến đổi thẳng

Sơ đồ đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu bằng phương pháp biến đổi thẳng

Hình 2: Sơ đồ thiết bị đo

Phân tích sơ đồ đo nhiệt độ theo cấu trúc đo biến đổi thẳng

• CĐSC: cặp nhiệt ngẫu đóng vai trò là bộ chuyển đổi sơ cấp, biến đổi đại lượng

không điện (nhiệt độ) sang đại lượng điện (điện áp)

• BĐ : bộ biến đổi trung gian là khối khuếch đại, khuếch đại tín hiệu nhỏ từ cặp

nhiệt ngẫu và khối ADC, vi xử lí có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu tương tự sang số và

xử lí dữ liệu số sang giá trị nhiệt độ

• CT: là khối LCD có nhiệm vụ hiển thị giá trị nhiệt độ đo được lên màn hình

LED 7 Thanh

Chương 2: Lí thuyết và thiết kế thiết bị đo nhiệt độ

2.1 Sơ đồ khối mạch đo

 Sơ đồ khối mạch đo

Hình 3: Sơ đồ khối mạch đo

 Điện áp rơi trên đầu nóng và lạnh của cặp nhiệt ngẫu được đưa vào bộ khuyếch

đại chuyên biệt, sau đó được đưa vào vi xử lí, sau đó vi xử lí chuyển dữ liệu

ADC sang dữ liệu đo được thực tế và in giá trị đo được lên LCD

2.2 Các thành phần chính của thiết bị đo, tính toán lựa chọn thiết bị

2.2.1 Cặp nhiệt ngẫu

 Cặp nhiệt ngẫu: là 1 thiết bị phổ biến thông dụng để đo nhiệt độ(thông thường

đo ở mức nhiệt độ cao 0-1200℃) Nguyên lí làm việc của cặp nhiệt điện là

dựa vào sự thay đổi điện áp theo nhiệt độ của đầu nòng và đầu lạnh Ảnh

hưởng của nhiệt độ đến mối nối giữa hai kim loại khác nhau tạo ra 1 điện áp

nhỏ

LED 7 Thanh

+ Khoảng đo rộng (wide range): cặp nhiệt ngẫu có thể đáp ứng gần như các ứng dụng cần

đo nhiệt độ trong công nghiệp như luyện kim, lò hơi,… với khoảng đo rộng từ -200℃đến 2500℃ tùy thuộc vào kim loại tạo nên cặp nhiệt ngẫu

+ Tốc độ phản hồi nhanh(rapid respond): cặp nhiệt ngẫu có thể phản hồi ngay lập tức sựthay đổi của nhiệt độ

+ Do cặp nhiệt ngẫu không cần dùng tới nguồn cung cấp nên nó không gặp các vấn đề vềnhiệt, làm nóng (No self heating)

• Nhược điểm:

+ Do điện áp sinh ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh rất nhỏ do đó

dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ trường, khó khăn trong việc chuyển đổi điện áp nhỏsang giá trị nhiệt độ

+ Sai số của cặp nhiệt ngẫu thường trong khoảng từ 1℃ đến

2℃ Những khó khăn khi đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu:

Điện áp sinh ra do cặp nhiệt ngẫu không tuyến tính do sự không tuyến tính của hệ sốseeback, bù điện áp đầu lạnh,

+ Điện áp sinh ra rất nhỏ: cặp nhiệt ngẫu thông dụng như loại J,K,T Tại nhiệt độ phòng

hệ số seeback của chúng lần lượt là 52μV/℃, 41μV/℃ và 41μV/℃ Do điện áp sinh ranhỏ, cần một bộ khuếch đại trước khi chuyển đổi tương tự-số

Hình 5: Bảng hệ số seeback các loại cặp nhiệt ngẫu

Ảnh hưởng của nhiễu đối với điện áp sinh ra do cặp nhiệt ngẫu, do điện áp sinh ra từ cặpnhiệt ngẫu rất bé, do đó nó dễ bị làm sai lệch với nhiễu từ môi trường bên ngoài, từ đólàm sai lệch kết quả đo được Để hạn chế ảnh hưởng của nhiễu, chúng em sử dụng songsong 2 cách để đạt hiệu quả tốt nhất:

+ Đưa điện áp sinh ra do cặp nhiệt ngẫu vào bộ khuếch đại đo lường, vì thông thườngnhiễu sẽ xuất hiện ở cả cực + và cực – của khối khuếch đại, do đó khi đi qua khối khuếchđại đo lường, bộ khuếch đại sẽ khuếch đại tín hiệu vi sai của cực + và cực -, vì vậy nhiễu

sẽ bị triệt tiêu

+ Sử dụng các bộ lọc thông thấp(low pass filter): sẽ loại bỏ các nhiễu cao tần (trên

1MHz)

Bù nhiệt độ tham chiếu (reference conpensation):

+ Để thiết bị đo nhiệt độ được chính xác, chúng ta phải biết được nhiệt độ tham chiếu đầulạnh của cặp nhiệt Thông thường có 2 cách:

Cách thứ nhất đưa đầu tham chiếu(đầu lạnh) vào nước đá đang tan ở 0℃ Nhiệt độ đođược chính là giá trị nhiệt độ cần đo

Cách thứ hai: đưa đầu tham chiếu ở trong không khí, sử dụng một thiết bị đo nhiệt độchính xác với khoảng đo từ -20℃ - 50℃ để đo nhiệt độ môi trường Giá trị nhiệt độ làgiá trị nhiệt độ thu được cộng thêm nhiệt độ đầu lạnh đo được.

T = Thot + Tcold

Trong đó: Thot : nhiệt độ đầu nóng đo được bằng cặp nhiệt

Tcold : nhiệt độ đầu lạnh(đầu tham chiếu) đo đượcTính toán thiết kế, và lựa chọn linh kiện:

Với dải đo trong khoảng từ 0-800℃, cặp nhiệt ngẫu loại K phù hợp với đề bài vì hệ sốseedback thay đổi rất ít trong khoảng từ 0-800℃

Hình 6 : Hệ số seedback của các loại cặp nhiệt ngẫu thông dụng

2.2.2 Bộ khuếch đại và lọc nhiễu

Do cặp nhiệt ngẫu có tính chất là điện áp giữa cực nóng và cực lạnh thấp(cỡ mV), do đó

dễ bị làm sai lệch với nhiễu Do đó cần lựa chọn bộ khuyếch đại có độ chính xác cao, và

có khả năng lọc nhiễu tốt IC khuyếch đại AD8494/8495/8496 đáp ứng được các yêu cầutrên

Giới thiệu về AD8494

AD8494 là bộ khuyếch đại giá thành rẻ dành cho các cặp nhiệt ngẫu loại J, K với các đặcđiểm như: bù đầu lạnh, trở kháng đầu vào cao, có khả năng lọc nhiễu

Hình 7: Sơ đồ cấu trúc AD8494/8495

Sơ đồ bộ khuếch đại và bộ lọc

Hình 8: Sơ đồ bộ khuếch đại và bộ lọc

 Cách nối đất của mạch trên

Hình 9: Cách nối đất

• Các nhà sản xuất cặp nhiệt điện tạo ra cặp nhiệt điện với cả 2 đầu cách điện

và nối đất cho việc đo lường Nếu đầu cặp nhiệt điện nối đất thì dải đầu vàocủa bộ khuếch đại cần được thiết kế để xử lý choc ho bất kỳ sự biến đổi nàocủa hệ thống nối đất giữa đầu cặp nhiệt điện và hệ thống đo lường

• Vì thế chúng ta sử dụng cách nối đất như trên, vì nó cho phép các loạiđầu của cặp nhiệt điện hoạt động tốt

 Bộ lọc ngoài

Sử dụng bộ lọc là một trong 2 cách để loại bỏ nhiễu ra khỏi tín hiệu Trong bàitoán này ta sử dụng bộ lọc thông thấp (Low pass filter), tác dụng của nó là loại

bỏ các tần số nhiễu vô tuyến (trên 1MHz) và ảnh hưởng đến bộ khuếch đại

Vì thế ta đặt bộ lọc nhiễu tần số vô tuyến ở trước bộ khuếch đại

Hình 10: Bộ lọc ngoài

• Ta sử dụng tần số fC 16kHz – với fC là tần số đóng cắt của bộ lọc

Mà

12

Hình 11: Bộ lọc 50Hz/60Hz

• Dòng tần số 50Hz/60Hz giúp loại bỏ nhiễu mạnh mẽ, khi tín hiệu đi qua bộkhuếch đại chưa được loại bỏ hết nhiễu thì bộ lọc này sẽ giúp loại bỏ hếtnhiễu khỏi tín hiệu.

• Sử dụng công thức

1 2π.R.

C

Từ đó ta chọn các thông số R = 100kΩ, C = 1uF, suy ra

fC = 2π R C = 2π 100.103 10−6 = 1,6(Hz)

2.2.3 Khối ADC và Vi xử lí

Với yêu cầu sai số nhỏ thua 1℃ , với dải đo từ 0-800℃ , chọn ADC lớn hơn 10 bit,

để giảm thiểu sai số cho thiết bị đo Để tối ưu giá thành thì có thể chọn ADC 10 bit

Vi xử lí: có thể lựa chọn vi xử lí như atmega 8 bit, 8051 để thực hiện thuật toán

Song, tối ưu giá thành, nhóm chúng em sẽ sử dụng chip STM32F103C6 làm

nhiệm vụ của khối ADC và Microcontroller

Khối vi điều khiển STM32F103C8T6

STM32F103C8T6 thuộc dòng chip STM32F1 32bit, được trang bị lõi ARM Cortex-M3.STM32F103C8T6 được trang bị lõi ARM Cortex-M3 với tần số hoạt động cao 72Mhz

- Bộ nhớ: 64 Kbytes cho bộ nhớ Flash, 20Kbytes SRAM

ADC của MCU STM32F103C8

ADC trong STM32F103 là bộ ADC có 12 bit tức là giá trị đọc về nằm trong khoảng 0 –

212 = 4096 Giá trị điện áp đầu vào bộ ADC được cung cấp trên chân VDDA và thườnglấy bằng giá trị cấp nguồn cho vi điều khiển VDD(+3V3) STM32F103C8 có 2 kênhADC đó là ADC1 và ADC2, mỗi kênh có tối đa là 9 channel với nhiều mode hoạt độngnhư: single, continuous,scan hoặc discontinuous Kết quả chuyển đổi được lưu trữ trongthanh ghi 16 bit

Các đặc điểm của ADC trong vi điều khiển STM32F103C8

- Độ phân giải 12-bit

- Có các ngắt hỗ trợ như End conversion, End of Injected Conversion and

Analog Watchdog Event

- Có các chế độ chuyển đổi đơn và liên tục (Single mode hay Continuous mode)

- Tự hiệu chỉnh kết quả chuyển đổi

- Sai số do Voffset khá nhỏ

- Thời gian lấy mẫu có thể lập trình kênh theo kênh

- Thời gian chuyển đổi ADC: 1µs ở 56 MHz (1,17 µs ở 72 MHz)

- Nguồn cung cấp ADC: 2,4 V đến 3,6 V

- Dải đầu vào ADC: VREF- ≤VIN ≤VREF +

- Có bộ DMA giúp tăng tốc độ xử lí

- ADC của stm32 theo cơ chế xấp xỉ liên tiếp

Hình 14 : Block diagram bộ ADC của vi điểu khiển STM32

Hình 15: Sơ đồ các chân ADC STM32F103C8

Phân tích, bù các sai số cho ADC

• Sai số Voffset

Sai số offset là độ lệch giữa lần chuyển tiếp thực tế đầu tiên lý tưởng Quá trình chuyển đổi đầu tiên xảy ra khi đầu ra ADC kỹ thuật số thay đổi từ 0 thành 1 Lý tưởng nhất là khiđầu vào tương tự nằm trong khoảng từ 0,5 LSB đến 1,5 LSB, đầu ra kỹ thuật số nên là 1 Vẫn lý tưởng, quá trình chuyển đổi đầu tiên xảy ra ở 0,5 LSB Sai số offset được biểu thị bằng E0 Lỗi bù có thể dễ dàng được hiệu chỉnh bằng phần mềm.

E0 = chuyển đổi thực tế - chuyển đổi lý tưởng

• Sai số do yếu tố môi trường khác

- Nguồn cung cấp cho STM32F103C8 VDDA

Vì đầu ra ADC là tỷ số giữa điện áp tín hiệu tương tự và điện áp tham chiếu, nên bất kỳnhiễu nào trên tham chiếu tương tự đều gây ra sự thay đổi trong giá trị kỹ thuật số đượcchuyển đổi Nguồn cung cấp tương tự VDDA được sử dụng trên một số gói làm điện áptham chiếu (VREF +), vì vậy chất lượng của nguồn cung cấp VDDA có ảnh hưởng đếnlỗi ADC

- Do ảnh hưởng nhiệt độ:

Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của ADC Về cơ bản, nó dẫn đến hai lỗichính: offset error drift and gain error drift Những lỗi đó có thể được bù đắp trong phần firmware của vi điều khiển

- Nhiễu EMI-induced

Phát xạ điện từ từ các mạch lân cận có thể tạo ra nhiễu tần số cao trong tín hiệu tương

tự vì các rãnh PCB có thể hoạt động giống như một ăng-ten

Hình 16 : nguồn nhiễu EMI ảnh hưởng đến ADC STM32

2.2.4 Khối hiển thị LED

Khối hiển thị LED

Với yêu cầu của đề bài là hiển thị bằng LED và dải đo từ 0-800 độ C, nhóm quyếtđịnh lựa chọn 4 con LED 7 thanh để có thể giển thị kết quả đến dạng thập phân Ngoài raLED 7 thanh sử dụng điện áp cung cấp 5V cùng với opam, dễ dàng trong việc lựa chọnnguồn cung cấp

Hình 17: Led 7 thanh

- LED 7 thanh bao gồm 8 LED được kết nối song song để có thể thắp sáng hiển thị số

“ 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, a, b, c, d,e ,f, …”

- Mỗi đoạn led được đánh dấu từ A đến G

- Đoạn thứ 8 gọi là “ Chấm thập phân “ kí hiệu là DP được sử dụng khi hiển thị số không phải sô nguyên.

Trong bài tập này bọn em sẽ sử dụng led 7 thanh 2.3 Inch.

Tính điện trở sử dụng cho led: Led hoạt động giá trị trung bình khoảng 3V và 10mA

Led được cấp bởi nguồn 5V Suy ra: R= (5-3)/0.01 = 200 ôm.

Transistor sử dụng cho led sẽ là A1015.

2.2.5 Khối nguồn

Các thành phần linh kiện sử dụng trong mạch đo

Các linh kiện sử dụng điện áp 5V

Bảng 1: Các linh kiện sử dụng trong mạch đo:

STT Tên linh kiện Điện áp Dòng nghỉ Dòng

Sơ đồ mạch nguyên lý mạch hạ áp bằng IC hạ áp ổn áp LM317EMP

Hình 19: Sơ đồ mạch khối cho bộ nguồn

Lý do chọn IC ổn áp LM317EMP:

- IC LM317EMP cung cấp dòng điện đầu ra phù hợp với bài toán ( Io = 1A)

- Trở kháng đầu vào IC cao cỡ  Ω nên ko làm ảnh hưởng tới dòng điện cung cấpcho mạch đo

- Dung sai điện áp đầu ra nhỏ khoảng 1%

- Có kích thước nhỏ và giá thành rẻ

- Dễ triển khai mạch điều chỉnh điện áp

- Mức tiêu thụ công suất từ 1.2W đến 2W

Hình 20: IC ổn áp LM317EMP

- LM317 là IC điều chỉnh điện áp dương Chân đầu vào nơi có thể cung cấp tới đa

40 VDC Chân đầu ra cung cấp điện áp đầu ra trong phạm vi từ 1.25 V đến 37 V.Chân điều chỉnh được sử dụng để thay đổi điện áp đầu ra tương ứng đến điện ápđầu vào được áp dụng Đối với đầu vào lên đến 40 V, đầu ra có thể thay đổi từ1.25 V đến 37 V

Hạ áp 3.3V, 1A

Hạ áp 5V, 1A

Nguồn 4 pin

Lithium

- Có một Op Amp (bộ khuếch đại) tích hợp trên IC có đầu vào đảo ngược được kếtnối với chân điều chỉnh Đầu vào không đảo được thiết lập bởi tham chiếu điện áp.LM317 cung cấp điên áp tham chiếu ổn định 1.25 V trên chân điều chỉnh của nó Điện áptham chiếu có thể từ 1.2 V đến 1.3 V Điện áp đầu ra của LM317 có thể được điều chỉnhtrong một phạm vi cài đặt bằng cách sử dụng mạch phân chia điện trường giữa đầu ra vàđất Để thiết lập điện áp mong muốn ở đầu ra của LM317, mạch phân áp điện trở được sửdụng giữa chân đầu ra và đất Giá trị của bộ phân áp điện trở cần phải được chọn sao cho

nó có thể cung cấp dải điện áp yêu cầu ở đầu ra Mạch phân áp có một điện trở lập trình

có điện trở cố định và một điện trở khác là biển trở Bằng cách thiết lập một tỷ lệ hoànhảo của điện trở phản hồi (điện trở cổ định) và biển trở có thể thu được điện áp đầu ramong muốn tương ứng với điện áp đầu vào Dòng tại chân điều chỉnh cũng không đổi vàtrong khoảng từ 50  đên 100  Do đó dòng điện không đổi chạy qua R1 cũng nhưR2 Do đó, tổng điện áp rơi trên Rl và R2 cho Vout như sau:

2 2 1

Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp sử dụng IC LM317EMP ( trong datasheet IC LM317)

Hình 21: Sơ đồ mạch nguyên lý hạ áp bằng IC LM317EMP